大功率電化學(xué)脈沖電源技術(shù)研究

呂蒙　牛晨旭

【摘 要】大功率脈沖電源作為電化學(xué)加工領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，其綜合性能決定了脈沖電化學(xué)加工工藝的改進和加工質(zhì)量。高頻率、大電流、窄脈寬的電化學(xué)加工工藝在PFC技術(shù)、全橋軟開關(guān)技術(shù)和同步整流技術(shù)以及高頻斬脈沖技術(shù)的支撐下得以實現(xiàn)。電化學(xué)加工的效率、精度也在不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，為高質(zhì)量的電化學(xué)加工提供有力保障。

【關(guān)鍵詞】電化學(xué)；脈沖電源；大功率；DC-DC變換器；高頻斬脈沖

中圖分類號： TG662 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.010

Research on High Power Electrochemical Pulse Power Technology

LV Meng NIU Chen-xu

（Zhengzhou Railway Vocational and Technical College， Zhengzhou， Henan 451460， China）

【Abstract】Pulse power supply is the key technology of Electrochemical Machining， and its performance determines the improvement and quality of processing technology. PFC， Full-Bridge soft switch technology and Synchronous Rectification technology and High Frequency Chopper Pulse technology are used to realize the electrochemical processing technology of high frequency， large current and narrow pulse width. The efficiency and precision of electrochemical machining are also improving， and the application scope is continuously expanded to provide strong guarantee for the high quality electrochemical machining.

【Key words】Electrochemical； Pulse power； High power； DC-DC converter； High-Frequency chopped pulse

0 引言

電化學(xué)加工即通過金屬材料在外部加載電場的作用下而產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而使得金屬原子失去電子被溶解，進而對金屬材料進行加工。電化學(xué)加工自20世紀(jì)50年代問世以來，經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)已成為機械制造學(xué)科中一個重要的分支，也是國防工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。[1]常用的電化學(xué)加工有電解加工、電磨削、電化學(xué)拋光、電鍍、電刻蝕和電解冶煉等。高頻（>1kHz）、窄脈沖（us級）電流電解加工顯著改善了電解加工間隙過程的理化特性，簡化了工藝，增強了加工穩(wěn)定性，提高了加工精度、表面質(zhì)量和加工效率，為電解加工的應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域，而脈沖電源是實現(xiàn)此項新工藝技術(shù)并使之用于生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。[2]

1 脈沖電源的總體結(jié)構(gòu)

脈沖電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。隨著新型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，尤其是以高頻著稱的大功率MOSFET和以高耐壓高通流能力著稱的IGBT功率器件的出現(xiàn)和發(fā)展，使得高頻大功率脈沖電源成為可能。[6]并推動高頻脈沖電源不斷向前發(fā)展，其功能得到了較大的完善，其性能指標(biāo)也得到了很高的提升。

1.1 AC-DC交直流變換電路

我國電網(wǎng)采用電壓為220V的交流電，因此，AC-DC變換器必須具有整流濾波電路，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出。其中濾波器主要用于抑制外界對電路產(chǎn)生的干擾，屏蔽電路對電網(wǎng)的干擾信號。常用的AC端濾波器主要是π型濾波器，其可有效抑制存在于電網(wǎng)和電路中的差模干擾和共模干擾，是一種簡單有效的濾波電路。[3]整流器一般選用硅整流器件，由于輸入工頻正弦交流電壓，因此需要選擇耐壓超過電網(wǎng)峰值的硅整流器件進行整流。

經(jīng)過輸入濾波和整流器整流后，工頻交流電壓的負半周期電壓被翻轉(zhuǎn)，其實質(zhì)是脈動直流電壓，該電壓波動較大，為了使輸出電壓平穩(wěn)還需要添加電容濾波電路。[5]電容濾波電路將整流過的直流脈動電壓的直流分量濾除，使輸出電壓平穩(wěn)且質(zhì)量較高。通過使用電容濾波器輸出所需的直流電壓，然而，輸入電流不是隨輸入電壓變化的正弦波型，而是窄脈寬的脈沖波形。脈沖電流中的大量高次諧波不僅污染電網(wǎng)，且降低整流電路的功率因數(shù)。使用電容濾波器的整流電路，其功率因數(shù)只有0.6～0.7。功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC）可提高功率因數(shù)，減小電流畸變。加入PFC電路的整流器，其功率因數(shù)高達0.99，甚至更高。

1.2 DC-DC直流變換電路

電化學(xué)加工過程中，為保證加工精度和效率，一般要求較高的電流密度，電化學(xué)拋光的電流密度達到30A/cm2。為了減小DC-DC變換器的體積，通常使用高頻變壓器作為DC-DC變換器的主變壓器，以提高變換效率。[5]

由于電化學(xué)加工脈沖電源要求輸出功率較大，因此采用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的全橋式電路拓撲才能夠滿足要求。通過更換大容量的開關(guān)管和優(yōu)化驅(qū)動電路，并使用較大的高頻變壓器磁芯或多個變壓器并聯(lián)，同時適當(dāng)?shù)奶岣唠娐返墓ぷ黝l率，可以將全橋DC-DC變換器的最高輸出功率提升至數(shù)十千瓦，完全能夠滿足較大功率的電化學(xué)加工要求。全橋軟開關(guān)技術(shù)能夠進一步降低開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗，全橋軟開關(guān)是在原有的電路中加入諧振電路，使主開關(guān)管的開通和關(guān)斷發(fā)生在電壓或電流的過零點，從而降低損耗的方法。[6]

全橋硬開關(guān)DC-DC變換器電路中，由于次級工作在低壓大電流狀態(tài)，因此大都使用具有低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管，以降低損耗。次級肖特基整流二極管與初級整流管都具有固定的正向?qū)▔航?，因此，有電流通過必然會產(chǎn)生損耗，且當(dāng)次級工作電流數(shù)值大，導(dǎo)通損耗更大。為了降低損耗，使用通態(tài)內(nèi)阻極低的MOSFET作為整流管，極大地降低導(dǎo)通壓降，從而提高脈沖電源的效率。

1.3 直流斬脈沖電路

電化學(xué)加工中的脈沖電源需輸出頻率可調(diào)、占空比可調(diào)的電脈沖，因此，在上述電源模塊的基礎(chǔ)上需要加入直流斬脈沖電路。

直流斬脈沖電路要求能夠長時間工作在低壓、高頻、大電流沖擊的條件下，常采用通態(tài)電阻只有幾毫歐姆的MOSFET作為開關(guān)管，為提高通流能力，可以使用多個MOSFET并聯(lián)驅(qū)動的方法。通過調(diào)節(jié)MOSFET的驅(qū)動電壓頻率和波形，就可以獲得電化學(xué)加工所需要的脈沖電流。

1.4 控制電路與保護電路

控制電路是脈沖電源的核心控制單元，包括中央處理器、專用控制器和驅(qū)動器?？刂茊卧ㄟ^分析和處理外部輸入的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)傳感器采集的電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)，向各模塊的驅(qū)動電路發(fā)送相應(yīng)的控制指令，從而達到對脈沖電源的控制作用。[7]目前，一些高精度的脈沖電眼控制系統(tǒng)采用DSP和FPGA最為數(shù)據(jù)處理和邏輯控制核心。保護電路由過壓/欠壓保護、過流保護、溫度保護和短路保護組成，過壓/欠壓保護可避免器件損壞，防止輸出電壓過高而損壞負載；過流保護可保護開關(guān)器件不受過電流的損壞；溫度保護可防止開關(guān)器件等元件因過熱而引起的損壞；短路保護可及時切斷短路，保護系統(tǒng)和工件不受損壞。

2 總結(jié)

雖然加入了有源PFC技術(shù)、全橋軟開關(guān)技術(shù)、同步整流技術(shù)以及高精度數(shù)字控制技術(shù)后，脈沖電源的控制精度、工作效率和穩(wěn)定性都得到了一定的提高，但卻面臨結(jié)構(gòu)和控制電路復(fù)雜、開發(fā)周期較長的難題，主高頻變壓器和初級整流效率仍有待提高。大功率脈沖電源技術(shù)在理論方面取得了較大突破，但在實際應(yīng)用中仍需進一步完善，尤其關(guān)于輸出容量、控制精度和工藝參數(shù)調(diào)整等方面仍需繼續(xù)研究，使電化學(xué)加工朝精密化和智能化方向發(fā)展，并使之廣泛成熟應(yīng)用于制造加工行業(yè)。

【參考文獻】

[1]楊明.電化學(xué)加工技術(shù)的原理與應(yīng)用[J].機械，2011.

[2]狄士春，吳海波，王賢成，趙萬生.電化學(xué)加工脈沖電源的研制與實驗研究[J].電加工與模具，2005.

[3]王堯鋒.高頻脈沖電解開關(guān)電源研制及工藝試驗[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]范植堅，楊森，唐霖.電解加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[R].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012.

[5]曲學(xué)基，王增福，曲敬鎧.新編高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].電子工業(yè)出版社.2005年第1版：170-175.

[6]王增福，李昶，魏永明.軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.2006年第1版：95-101.

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[8]沈慕昭.電化學(xué)基本原理及其應(yīng)用[M].北京師范大學(xué)出版社.1987年第1版：260-273.